Annons

Tre RF-konferenser i en

MEMS, TeraHerz, MIMO och radioväder var några av ledorden under den tre dagar långa forskarkonferensen Swedish Radio and Microwave Days,  som kombinerade de tidigare separat hållna RVK (RadioVetenskapliga Konferensen), GigaHertz och AntennEMB. SNRV, Svenska Nationalkommitte´n för RadioVetenskap är sammanhållande organisatör.

 

KTH stod som värd när tre radiokonferenser hölls på Frösundavik i Stockholm. Här ger vi några sammandrag från föredragen:

RF-MEMS
En av de inbjudna gästtalarna var Gabriel M Rebeiz, från University of California San Diego La Jolla (UCSD), USA. Han startade en forskargrupp för MEMS redan 1989.
– En fördel med MEMS är den höga dynamik som erbjuds. Man kan åstadkomma kretsar som har IIP3 >70 dBm och IIP2 > 110 dBm, samtidigt som förlusterna ligger kring 0,1 – 0,2 dB för frekvenser från DC upp till 110 GHz.
Han berättade vidare att dessa MEMS-kretsar kan hantera spänningar upp till mellan 50 och 100 V. Man kan åstadkomma varierbara kapacitanser med ett kapacitansförhållande (Cr) på 5 – 50 och ett Q-värde > 200, för att användas i exempelvis antennavstämningsenheter.
I Samsungs mobiltelefoner används nu avstämbara MEMS-kondensatorer från wiSpry med 6 – 8 gångers förhållande i kapacitansavstämning och ett Q-värde på 80 – 100. Även Cavendish Kinetics  producerar avstämbara MEMS-kondensatorer i stora volymer.
Omron har tagit fram switchar vars metallkontakt har 1 ohm resistans. Dessa tål en miljard omkopplingar (de har testat 100 miljarder vid 1 mW) och kan hantera effekter mellan 0,1 och 10 W. Switcharna har funnits en tid och de har en dominerande användning inom utrustning för automatiserat test. Utvecklingen av dessa var inte enkel: Efter 15 års utvecklingsarbete (1996 – 2011) kom de ut på marknaden.
En klar fördel med RF-MEMS är att switcharna kan överföra hög effekt utan distorsion. Nämnda switch från Omron har ett IIP3 på 73 dBm, vilket innebär att distorsionen ligger på -106 dBc vid 20 dBm signalstyrka, eller -90 dBc vid 30 dBm.
– De passar för basstationer och uppfyller kriterierna för LTE.

Mer än fasstyrda antenner
Darpa stöttade Gabriel E Rebeiz forskargrupp som under åren 1995-1996 utvecklade fasstyrda antenner, tillsammans med Raytheon, NG, Rockwell Scientiffic och Honywell.
– Under utvecklingens gång fann vi att RF-MEMS kunde användas för mycket annat än för fasstyrda antenner.


Gästtalande professor Gabriel M Rebeiz, från University of California San Diego La Jolla (UCSD), USA, har lång erfarenhet av RF-MEMS.

Gabriel E Rebeiz beskrev de svårigheter som mobiltelefontillverkarna har idag i att skapa lösningar för att koppla om mellan antenner och slutsteg för alla frekvensband och standarder. Här passar RF-MEMS utmärkt för att åstadkomma SP9T-switchar.
Men han nämnde också att halvledarteknikens utveckling gör att RF-MEMS inte alltid är det självklara valet.
När det gäller fasstyrda antenner var intentionen att RF-MEMS skulle bli billigare än lösningar i GaAs.
– Men vi ser nu hur tekniker i CMOS och SiGe utvecklas snabbt och hur man i dessa tekniker bygger mycket komplexa RFIC. Så varför då använda RF-MEMS? Många företag misslyckas i att kommersialisera RF-MEMS därför att man stöter på problem med såväl tillförlitlighet som kostnader.
Gabriel E Rebeiz betonade att det är svårt att bygga RF-MEMS. Det kräver goda kunskaper i hur aktuatorer skall konstrueras, hur kretsarna skall kapslas, om mekanisk utmattning, dielektrisk uppladdning och hur kontaktytorna skall utformas.
– Hittills är det bara Omron och wiSpry/IBM som har lyckats.
RF-MEMS är i huvudsak en nischteknik för antennavstämningsenheter, antenner med avstämbar frekvens, avstämbara filter för sändare och mottagare, lågförlusts SPNT (DC till 26 GHz eller DC till 67 GHz), lågförlusts switchmatriser för ATE och för höglinjära dämpsatser för spektrumanalysatorer.
Som exempel på filter nämnde Rebeiz ett sådant som kan avstämmas från 1,55 till 2,51 GHz. Filtret har ett Q-värde på 500 och det klarar 24,8 dBm effekt.
– Vi är väldigt nära att åstadkomma ett filter som täcker alla mobilbanden, berättade han och nämnde även att avstämbara antenner nu finns i nästan alla smarta mobiltelefoner.
Det låter som om RF-MEMS skulle ha en gyllene framtid inom mobiltelefonin, men under utvecklingens gång har det kommit fram konkurrerande CMOS-kretsar SOS (Peregrine) och SOI (RFMD).
Som en sammanfattande slutsats nämnde Gabriel M Rebeiz det i dagsläget är svårt för RF-MEMS att konkurrera med marknadens SP16T-switchar i CMOS SOS och SOI. Men när det gäller avstämbara kondensatorer har RF-MEMS en klar ledning avseende dämpningen: 0,2 dB för RF-MEMS jämfört med 0,6 dB för CMOS.

dubbelbands doherty
Doherty-principen används idag allmänt i basstationer för att höja verkningsgraden framför allt vid medelhöga effektuttag. Med detta sparar man mycket energi eftersom effektuttaget mycket sällan når toppvärden.
Principen är att ett klass A-steg (eller klass AB) arbetar med ett klass C-steg. Detta kräver speciella kombinationsnät på in- och utgångar för att få 90 graders fasskillnad mellan stegen.


Paul Saad, GigaHertz center vid Chalmers, berättade om en Doherty-förstärkare för två frekvensband. Principen för de 2-bands hybrider som krävs i anslutning till huvud- respektive toppeffektförstärkare visas på bilden.

Kombinationsnäten är frekvensselektiva vilket normalt begränsar användningen till ett mobilband. Paul Saad, från GigaHertz center vid Chalmers, visade en ny typ av nät som kunde ge önskad fasförskjutning på två frekvenser: 1,8 och 2,4 GHz.
Detta tvåbands Doherty-steg visade upp 60-64 procents verkningsgrad vid 1,8 GHz och 44-54 procents verkningsgrad vid 2,4 GHz och över ett brett effektområde vid 6 dB ”back-off”.
En GaN-HEMT, i form av naket chip, gav maximalt 43 dBm ut vid 33 dBm in.

Substratintegrerade kretsar
Substrate Integrated Circuits, SIC innebär ett paradigmskifte för kommande GHz- och THz-teknik och i fotoniksystem.
Det hävdade Ke Wu, som ansvarar för RF- och millimetervågsforskningen vid Center for Radiofrequency Electronics Research (CREER) i Quebec, Kanada.
– Om framtida tillämpningar inom inom THz/GHz och optoelektronik skall kunna bli kommersiella framgångar måste de kunna realiseras till låga kostnader och hög grad av integration.
I dagens konstruktioner använder man ofta micro-strip.
– Nackdelen är att den höga strömtätheten i kanterna av ledarbanan ger stora förluster. Co-planara strukturer är bättre i detta avseende. Men det finns ett prestandagap mellan co-planara strukturer och vågledare.
Ke Wu talade om en utveckling i generationer, där den första generationens ledare för RF var koaxialkablar och vågledare. En andra station stod MIC för, integrerade mikrovågskretsar. En tredje generation innebar multi-lagers substrat och komponenter integrerade i substratet. Fjärde generationens förbindningar fanns i multilagers LTCC i kombination med MMIC och RFIC.


– Substrate Integrated Circuits, SIC innebär ett paradigmskifte för kommande GHz- och THz-teknik och i fotoniksystem, hävdar Ke Wu, ansvarig för RF- och millimetervågsforskningen vid Center for Radiofrequency Electronics Research (CREER) i Quebec, Kanada.

Nästa generations teknik, enligt Ke Wu, innebär syntetiserade vågledare och substratintegrerade komponenter. Han talade om en komplett integration som innebär att plana och icke plana komponenter kan integreras i samma dielektriska substrat och med samma tillverkningsprocess.
Syntetiska vågledare kan läggas bredvid varandra för att ge koppling i TE-mod, men inte i TM-mod.
– Alla typer av kopplare kan konstrueras med denna metod.
Ke Wu konstaterade att det borde vara möjligt att utveckla en innovativ tillverkningsprocess, en unik hybrid och högförtätad 3D-integration av plana och icke-plana strukturer för att skapa system-på-substrat (system-on-substrate, SoS).
SIC-tekniken väntas även minska gapet mellan elektronik och fotonik.

Hotande radioväder
Ungefär vart elfte år (7-14 år) har solfläckarna sitt maximum. Att partikelströmmen, solstormen,  skapar jonisering av olika skikt runt jorden, vilket ändrar förutsättningarna för radiokommunikation, finns det god vetskap om. Att dessa solstormar kan bli så kraftiga att de slår ut inte bara system för satellitkommunikation utan även elsystem är ett område som är mindre utforskat. Inte minst sårbara är  framtidens elnät av ”grid”-typ.
– Därför valde vi den här gången att låta rymdväder vara huvudtema, säger professor Gerhard Kristenson, ordförande i SNRV som organiserar Radiovetenskapliga konferensen, RVK.
Historien visar att solstormar av kolossalformat har förekommit och kan återkomma. Risken för enorma utbrott av solfläckar är visserligen liten, men de skulle kunna ge solstormar som orsakar katastrofer av enorma dimensioner i samhället. Om elnäten slås ut följer också att vattenförsörjningen inte alltid fungerar, samtidigt som telenäten upphör att fungera.
Professor Sergey Tsygankov, Rymdforskningsinstitutet vid den ryska vetenskapsakademin, tog som exempel den stora solstormen i mars 1989. Den slog ut Quebecs elsystem under 12 timmar, vilket drabbade nio miljoner människor.
Brittiska forskare varnar nu för att vi inom 18 månader kan få en solstorm som är fem gånger starkare än 1989 års solstorm.

Maxlab
Ett av de största vetenskapliga satsningar på många år är etableringen av Maxlab i Lund, som utnyttjas av 800 forskare. Lars Malmgren berättade om acceleratorerna för försök inom acceleratorfysik, synkrotronstrålning och kärnfysik.
Det senaste synkrotronen heter MAX IV och kommer att ersätta MAX I,  II och III. Två acceleratorringar, på 1,5 respektive 3 GeV byggs upp plus en linjär accelerator (3 GeV Linac). I den senare används en klystron på 2998,5 MHz som kan ge en pulseffekt av 35 MW. Den matas med ett kraftaggregat från Scandinova. Aggregatet, som är byggt med halvledarmoduler, levererar 285 kV och 295 A i 1 µs långa pulser med 10 Hz pulsrepetitionsfrekvens.
Gunnar Lilliesköld

Comments are closed.